Pemanasan dielektrik

Apa itu pemanasan dielektrik

Pemanasan dielektrik mengacu pada pemanasan dielektrik dan semikonduktor dalam medan listrik bolak-balik di bawah pengaruh bahan yang dipanaskan terpolarisasi. Polarisasi adalah proses perpindahan muatan terkait, yang menyebabkan munculnya momen listrik pada setiap elemen volume makroskopik.

Polarisasi dibagi menjadi elastis dan relaksasi: elastis (tanpa inersia) menentukan energi medan listrik, dan relaksasi (inersia) menentukan panas yang dilepaskan dalam bahan yang dipanaskan. Dalam polarisasi relaksasi oleh medan listrik eksternal, pekerjaan dilakukan untuk mengatasi kekuatan ikatan internal ("gesekan") atom, molekul, kompleks bermuatan. Setengah dari pekerjaan ini diubah menjadi panas.

Daya yang dilepaskan dalam dielektrik biasanya disebut satuan volume dan dihitung dengan rumus

di mana γ adalah konjugasi konjugasi kompleks material, EM adalah kekuatan medan listrik dalam material.

konduksi kompleks

Di sini, εr adalah konstanta dielektrik kompleks total.

Bagian nyata dari ε', yang disebut konstanta dielektrik, mempengaruhi jumlah energi yang dapat disimpan dalam suatu bahan. Bagian imajiner dari ε «, disebut faktor kerugian, adalah ukuran energi (panas) yang hilang dalam materi.

Faktor kerugian memperhitungkan energi yang hilang dalam material karena polarisasi dan kebocoran arus.

Dalam praktiknya, perhitungan menggunakan nilai yang disebut tangen sudut kerugian:

Garis singgung dari sudut kerugian menentukan rasio energi yang dihabiskan untuk pemanasan dengan energi yang tersimpan dari osilasi elektromagnetik.

Mempertimbangkan hal di atas, daya aktif spesifik volumetrik, W / m3:

atau

Dengan demikian, daya volume spesifik sebanding dengan kuadrat kekuatan medan listrik dalam bahan yang dipanaskan, frekuensi dan faktor kerugian.

Kekuatan medan listrik pada bahan yang dipanaskan tergantung pada tegangan yang diberikan, konstanta dielektrik ε ', lokasi dan bentuk elektroda yang membentuk medan tersebut. Untuk beberapa kasus yang paling umum dalam praktik, lokasi elektroda, kekuatan medan listrik dihitung dengan rumus yang ditunjukkan pada Gambar 1.

Beras. 1. Untuk perhitungan kekuatan medan listrik: a — kapasitor silinder, b — kapasitor lapisan tunggal datar, c, d — kapasitor multilayer datar dengan susunan lapisan bahan, masing-masing, melintang dan sepanjang medan listrik .

Perlu dicatat bahwa batas nilai maksimum Em dibatasi oleh kekuatan listrik dari bahan yang dipanaskan. Tegangan tidak boleh melebihi setengah dari tegangan tembus.Kapasitas benih tanaman biji-bijian dan sayuran diambil dalam kisaran (5 … 10) 103 V / m, untuk kayu — (5 … 40) 103 V / m, polivinil klorida — (1 … 10 ) 105 V / m.

Koefisien kerugian ε « tergantung pada komposisi kimia dan struktur material, suhu dan kadar airnya, frekuensi dan kekuatan medan listrik dalam material.

Karakteristik pemanasan dielektrik bahan

Pemanasan dielektrik digunakan di berbagai industri dan pertanian.

Karakteristik utama dari pemanasan dielektrik adalah sebagai berikut.

1. Panas dilepaskan dalam bahan yang dipanaskan itu sendiri, yang memungkinkan untuk mempercepat pemanasan puluhan dan ratusan kali lipat (dibandingkan dengan pemanasan konvektif) Hal ini terutama terlihat pada bahan dengan konduktivitas termal rendah (kayu, biji-bijian, plastik, dll. ).

2. Pemanasan dielektrik bersifat selektif: daya volumetrik spesifik dan, karenanya, suhu setiap komponen bahan yang tidak homogen berbeda. Fungsi ini digunakan dalam pertanian, misalnya untuk mendisinfeksi biji-bijian dan pengawetan ulat sutera,

3. Selama pengeringan dielektrik, panas dilepaskan di dalam material dan oleh karena itu suhu di bagian tengah lebih tinggi daripada di pinggiran. Kelembaban di dalam bahan bergerak dari basah ke kering dan dari panas ke dingin. Jadi, selama pengeringan konvektif, suhu di dalam material lebih rendah daripada di pinggiran, dan aliran uap air akibat gradien suhu mencegah uap air berpindah ke permukaan. Ini sangat mengurangi efektivitas pengeringan konvektif. Dalam pengeringan dielektrik, fluks kelembaban karena perbedaan suhu dan kadar air bertepatan.Ini adalah keuntungan utama dari pengeringan dielektrik.

4. Saat memanaskan dan mengeringkan di medan listrik dengan frekuensi tinggi, koefisien kehilangan berkurang dan, karenanya, kekuatan aliran panas. Untuk menjaga daya pada level yang diperlukan, Anda perlu mengubah frekuensi atau voltase yang disuplai ke kapasitor.

Instalasi pemanas dielektrik

Industri memproduksi instalasi frekuensi tinggi khusus yang ditujukan untuk perlakuan panas dari satu atau beberapa jenis produk, serta instalasi untuk penggunaan umum. Terlepas dari perbedaan ini, semua instalasi frekuensi tinggi memiliki diagram struktural yang sama (Gbr. 2).

Bahan dipanaskan dalam kapasitor kerja perangkat frekuensi tinggi 1. Tegangan frekuensi tinggi disuplai ke kapasitor kerja melalui blok sirkuit osilasi menengah 2, dirancang untuk pengaturan daya dan pengaturan generator 3. Generator lampu mengubah tegangan langsung diterima dari penyearah semikonduktor 4, dalam tegangan bolak-balik frekuensi tinggi. Pada saat yang sama, setidaknya 20 ... 40% dari semua energi yang diterima dari penyearah dihabiskan di generator lampu.

Sebagian besar energi hilang di anoda lampu, yang harus didinginkan dengan air. Anoda lampu disuplai sehubungan dengan bumi 5 … 15 kV, oleh karena itu sistem pasokan air pendingin yang terisolasi sangat kompleks. Transformer 5 dirancang untuk meningkatkan tegangan jaringan menjadi 6 ... 10 kV dan memutus sambungan konduktif antara generator dan jaringan listrik. Blok 6 digunakan untuk menghidupkan dan mematikan instalasi, melakukan operasi teknologi secara berurutan dan melindungi dari mode darurat.

Instalasi pemanas dielektrik berbeda satu sama lain dalam hal daya dan frekuensi generator, dalam konstruksi peralatan bantu yang dirancang untuk memindahkan dan menahan bahan yang diproses, serta untuk dampak mekanis terhadapnya.

Beras. 2. Diagram blok instalasi frekuensi tinggi: 1 — perangkat frekuensi tinggi dengan kapasitor beban, 2 — blok sirkuit osilasi perantara dengan pengatur daya, pemangkasan kapasitansi dan induktansi, 3 — generator lampu dengan pemisahan anoda dan jaringan sirkuit, 4 — penyearah semikonduktor : 5 — trafo step-up, c — blok yang melindungi instalasi dari mode operasi abnormal.

Industri memproduksi sejumlah besar instalasi frekuensi tinggi untuk berbagai keperluan. Untuk perlakuan panas produk, generator frekuensi tinggi serial digunakan, yang perangkat khusus diproduksi.

Memilih generator untuk pemanasan dengan dielektrik turun untuk menentukan daya dan frekuensinya.

Daya osilasi Pg dari generator frekuensi tinggi harus lebih besar dari aliran panas Ф yang diperlukan untuk perlakuan panas material dengan nilai kerugian pada kapasitor kerja dan blok sirkuit osilasi perantara:

di mana ηk adalah efisiensi kapasitor kerja, tergantung pada luas permukaan perpindahan panas, koefisien perpindahan panas dan perbedaan suhu antara bahan dan medium ηk = 0,8 ... 0,9, ηe adalah efisiensi listrik dari rangkaian osilasi ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — efisiensi, memperhitungkan kerugian pada kabel penghubung frekuensi tinggi ηl = 0,9 … 0,95.

Daya yang dikonsumsi oleh generator dari jaringan:

Di sini ηg adalah efisiensi generator ηg = 0,65 … 0,85.

Efisiensi total instalasi frekuensi tinggi ditentukan oleh hasil kali efisiensi semua unitnya dan sama dengan 0,3 ... ... 0,5.

Efisiensi rendah seperti itu merupakan faktor penting yang mencegah meluasnya penggunaan pemanasan dielektrik dalam produksi pertanian.

Kinerja energi instalasi frekuensi tinggi dapat ditingkatkan dengan menggunakan panas yang dihamburkan oleh generator.

Frekuensi arus saat memanaskan dielektrik dan semikonduktor dipilih berdasarkan aliran panas yang dibutuhkan F. Dalam perlakuan panas produk pertanian, aliran volume spesifik dibatasi oleh laju pemanasan dan pengeringan yang diizinkan. Dari keseimbangan gaya dalam kapasitor kerja yang kita miliki

di mana V adalah volume bahan yang dipanaskan, m3.

Frekuensi minimum di mana proses teknologi berlangsung pada kecepatan tertentu:

di mana Emax adalah kekuatan medan listrik maksimum yang diijinkan dalam material, V / m.

Dengan meningkatnya frekuensi, Em menurun dan karenanya keandalan proses teknologi meningkat. Namun, ada beberapa batasan untuk meningkatkan frekuensi. Tidak praktis untuk meningkatkan frekuensi jika rasio kerugian turun tajam. Selain itu, dengan meningkatnya frekuensi, menjadi semakin sulit untuk mencocokkan parameter beban dan generator. Frekuensi maksimum, Hz, di mana perjanjian ini diberikan:

di mana L dan C adalah nilai setara minimum yang mungkin dari induktansi dan kapasitansi dari rangkaian beban dengan kapasitor yang berfungsi.

Dengan dimensi linier kapasitor kerja yang besar, peningkatan frekuensi dapat menyebabkan distribusi tegangan yang tidak merata pada elektroda dan, oleh karena itu, pemanasan yang tidak merata. Frekuensi maksimum yang diperbolehkan, Hz, untuk kondisi ini

di mana l adalah ukuran pelat terbesar dari kapasitor kerja, m.